CN111828995A - 相变蓄热催化燃烧装置及燃烧方法 - Google Patents

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Abstract

一种相变蓄热催化燃烧装置及燃烧方法，涉及有机废气治理领域。该装置包括外壳及设置在外壳内的T型构件、热管式相变蓄热体及加热炉，其中热管式相变蓄热体内壁包裹有不锈钢容器，不锈钢容器底部设有相变蓄热材料，通过相变蓄热材料可以回收燃烧废气中的热量，对进入的有机废气进行预热，减少了催化燃烧所需要的能源消耗；加热炉中使用过渡金属氧化物催化剂作为高温氧化催化剂，降低了贵金属催化剂用量，节约了成本；热管式相变蓄热体外表面负载有低温氧化催化剂，利用废气余热，对有机废气多级催化氧化，提高了废气净化效率。该装置简单、换热效率高、运行成本低，同时节省了进排气切换阀的使用，减少了后期设备维护工作。

Description

相变蓄热催化燃烧装置及燃烧方法
技术领域
本发明涉及有机废气治理领域，特别涉及一种相变蓄热催化燃烧装置及燃烧方法。
背景技术
挥发性有机物(VOCs)目前已成为我国大气环境中继二氧化硫、氮氧化物之后的第三大类污染物，该类物质广泛来源于工业生产与居民消费。科学研究表明，VOCs不但能够直接破坏人体的呼吸、消化系统，还是PM2.5、臭氧等污染物的主要前体物，能够引发深层次的环境问题。
目前VOCs的常见处理技术包括活性炭吸附、生物处理、氧化燃烧、等离子体催化、光催化等，其中氧化燃烧技术由于具有VOCs处理效率高、氧化彻底、使用安全等特点，特别适合石油化工、有机化工、医药制造等高浓度有机废气的处治。但是，该技术由于在运行过程中需要保持充分的高温反应条件，因而需要消耗较多的能源供给。为此，工程技术人员设计了一种用于VOCs处理的蓄热催化反应器（RCO），一方面利用催化剂降低VOCs氧化所需要的温度，一方面利用2-3个陶瓷蓄热体对VOCs燃烧后的热量进行回收，再通过进气阀与排气阀的切换，使已蓄热的陶瓷体对废气进行预热，进一步达到降低系统能耗的目的。但是，这种传统的蓄热催化反应器在实际应用中，同样暴露出了一定的不足，具体表现为：（1）催化材料活性组分多为贵金属，为保障一定的去除效率，需要较长的反应停留时间，使得催化剂用量较大、设备初期投资成本高，难以保障高效的VOCs净化效率；（2）通过进、排气阀切换的方式进行陶瓷体蓄热、放热，换热速率慢，并且陶瓷体蓄热性能差，系统热回收效率低；（3）进、排气阀由于不断切换，不便于设备操作，并且容易造成阀门损坏，需要定期更换维护。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种相变蓄热催化燃烧装置及燃烧方法。
本发明所采用的技术方案是： 一种相变蓄热催化燃烧装置，其技术要点是，包括外壳、T型构件、热管式相变蓄热体及加热炉，其中，T型构件和热管式相变蓄热体相互垂直设置在外壳的腔体内，T型构件的长端将腔体分隔成上下两层，由进气至出气方向腔体依次被划分为进气口、废气预热区、燃烧室、废气放热区及出气口，所述的热管式相变蓄热体上端位于废气预热区、下端位于废气放热区，T型构件的短端与外壳底壁之间密封连接加热炉，且加热炉处于燃烧室内，加热炉内设有高温氧化催化剂；所述的热管式相变蓄热体内壁包裹有不锈钢容器，在不锈钢容器内设有相变蓄热材料，在热管式相变蓄热体下端的外表面还设有低温氧化催化剂。
上述方案中，所述的热管式相变蓄热体为多孔陶瓷棒。
上述方案中，所述的相变蓄热材料为石蜡。
上述方案中，所述的高温氧化催化剂为MnO2催化剂或Co3O4催化剂。
一种相变蓄热催化燃烧方法，其技术要点是，步骤如下：
有机废气经进气口、废气预热区，在燃烧室中被加热至高温氧化催化剂的活化温度，实现部分催化降解；
随后废气进入放热区，部分热量使得热管式相变蓄热体下端负载的低温氧化催化剂活化，进一步催化氧化VOCs；
废气中的热量通过热管式相变蓄热体内部包裹的不锈钢容器传递给相变蓄热材料，使之相变汽化，带走废气中的热量；
汽化的相变蓄热材料运动到热管式相变蓄热体的上端，在废气预热区与新进入的废气发生热交换，使经废气预热后的相变蓄热材料再次相变液化，流回至相变蓄热体下端，在废气放热区重新吸热，实现热量的回收。
上述方案中，所述的高温氧化催化剂为MnO2催化剂或Co3O4催化剂。
本发明的有益效果是：该相变蓄热催化燃烧装置及燃烧方法，包括外壳及设置在外壳内的T型构件、热管式相变蓄热体及加热炉，其中热管式相变蓄热体内壁包裹有不锈钢容器，不锈钢容器底部设有相变蓄热材料，通过相变蓄热材料可以回收燃烧废气中的热量，并对进入装置的有机废气进行预热，减少了催化燃烧所需要的能源消耗；燃烧室加热炉中使用过渡金属氧化物催化剂作为高温氧化催化剂，降低了贵金属催化剂用量，节约了系统成本；相变蓄热体外表面负载有低温氧化催化剂，充分利用废气余热，实现了对有机废气的多级催化氧化，进而提高了废气净化效率。相比于传统的蓄热催化燃烧反应器，该装置简单、换热效率高、运行成本低，同时节省了进排气切换阀的使用，减少了后期设备维护工作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中相变蓄热催化燃烧装置的结构示意图；
图中序号说明如下： 1外壳、1-1进气口、1-2废气预热区、1-3燃烧室、1-4废气放热区、1-5出气口、2T型构件、3热管式相变蓄热体、3-1不锈钢容器、3-2相变蓄热材料、3-3低温氧化催化剂、4加热炉、5高温氧化催化剂。
具体实施方式
使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图1和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
本实施例中采用的相变蓄热催化燃烧装置，包括外壳1、T型构件2、热管式相变蓄热体3及加热炉4，其中，T型构件2和热管式相变蓄热体3相互垂直设置在外壳1的腔体内，本实施例中，T型构件可通过法兰或者螺钉固定连接在外壳1的内壁上，热管式相变蓄热体3也固定连接在外壳1的内壁上，本实施例中的连接方式并不局限于法兰或者螺钉连接，仅以上述两种方式举例进行说明。
T型构件2的长端将腔体分隔成上下两层，上层腔体依次被划分为进气口1-1和废气预热区1-2，下层腔体被划分为废气放热区1-4及出气口1-5。T型构件2的短端与外壳1底壁之间密封连接加热炉4，且加热炉4将腔体上层和腔体下层密封连通。热管式相变蓄热体3上端位于废气预热区1-2、下端位于废气放热区1-4，加热炉4位于燃烧室1-3内。本实施例中的加热炉4内设置的高温氧化催化剂5采用MnO2催化剂。
本实施例中的热管式相变蓄热体3为多孔陶瓷棒，其内壁包裹有不锈钢容器3-1，在不锈钢容器3-1内盛装的相变蓄热材料3-2为石蜡。在热管式相变蓄热体3下端的外表面还设有以Au为活性组分的低温氧化催化剂3-3。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于：本实施例中的热管式相变蓄热体3垂直固定连接在T型构件2上，例如通过法兰或者螺钉进行连接。
本实施例中的附着在热管式相变蓄热体3下端的低温氧化催化剂3-3以贵金属Pt为活性组分。
本实施例中的高温氧化催化剂5主要为Co3O4催化剂。
实施例3
本实施例中的相变蓄热催化燃烧方法包括以下步骤：
有机废气在外界风机作用下进入相变蓄热催化燃烧装置进气口1-1、废气预热区1-2，并在燃烧室1-3中被加热炉4加热至MnO2的活化温度，实现部分催化降解；随后废气进入废气放热区1-4，部分热量使得热管式相变蓄热体3下端负载的低温氧化催化剂3-3（活性组分为贵金属Au）活化，进一步催化氧化VOCs。同时废气中的热量通过热管式相变蓄热体3、内部包裹的不锈钢容器3-1传递给石蜡，使之相变汽化，并带走废气中的热量。汽化的石蜡运动到热管式相变蓄热体3的上端，在废气预热区1-2与新进入的废气发生热交换，实现对废气的预热后再次相变液化，流回至热管式相变蓄热体3下端，在废气放热区1-4重新吸热，进而实现热量的回收。
本实施例以甲苯为例，加热炉工作温度为243℃，VOCs去除效率达到100%，废气排放温度为82℃。
实施例4
本实施例中的相变蓄热催化燃烧装置工作过程如下：
有机废气在外界风机作用下进入相变蓄热催化燃烧装置进气口1-1、废气预热区1-2，并在燃烧室1-3中被加热炉4加热至蜂窝陶瓷负载Co3O4的活化温度，实现部分催化降解；随后废气进入废气放热区1-4，部分热量使得热管式相变蓄热体3下端负载的低温氧化催化剂3-3（活性组分为贵金属Pt）活化，进一步催化氧化VOCs。同时废气中的热量通过热管式相变蓄热体3内部包裹的不锈钢容器3-1传递给石蜡，使之相变汽化，并带走废气中的热量。汽化的石蜡运动到热管式相变蓄热体3的上端，在废气预热区1-2与新进入的废气发生热交换，实现对废气的预热后再次相变液化，流回至热管式相变蓄热体3下端，在废气放热区1-4重新吸热，进而实现热量的回收。
本实施例以甲苯为例，加热炉工作温度为276℃，VOCs去除效率达到100%，废气排放温度为132℃。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种相变蓄热催化燃烧装置，其特征在于，包括外壳（1）、T型构件（2）、热管式相变蓄热体（3）及加热炉（4），其中，T型构件（2）和热管式相变蓄热体（3）相互垂直设置在外壳（1）的腔体内，T型构件（2）的长端将腔体分隔成上下两层，由进气至出气方向腔体依次被划分为进气口（1-1）、废气预热区（1-2）、燃烧室（1-3）、废气放热区（1-4）及出气口（1-5），所述的热管式相变蓄热体（3）上端位于废气预热区（1-2）、下端位于废气放热区（1-4），T型构件（2）的短端与外壳（1）底壁之间密封连接加热炉（4），且加热炉（4）处于燃烧室（1-3）内，加热炉（4）内设有高温氧化催化剂（5）；所述的热管式相变蓄热体（3）内壁包裹有不锈钢容器（3-1），在不锈钢容器（3-1）内设有相变蓄热材料（3-2），在热管式相变蓄热体（3）下端的外表面还设有低温氧化催化剂（3-3）。
2.如权利要求1所述的相变蓄热催化燃烧装置，其特征在于，所述的热管式相变蓄热体（3）为多孔陶瓷棒。
3.如权利要求1所述的相变蓄热催化燃烧装置，其特征在于，所述的相变蓄热材料（3-2）为石蜡。
4.如权利要求1所述的相变蓄热催化燃烧装置，其特征在于，所述的高温氧化催化剂（5）为MnO2催化剂或Co3O4催化剂。
5.一种相变蓄热催化燃烧方法，采用如权利要求1所述的装置实现，其特征在于，步骤如下：
有机废气经进气口、废气预热区，在燃烧室中被加热至高温氧化催化剂的活化温度，实现部分催化降解；
随后废气进入放热区，部分热量使得热管式相变蓄热体下端负载的低温氧化催化剂活化，进一步催化氧化VOCs；
废气中的热量通过热管式相变蓄热体内部包裹的不锈钢容器传递给相变蓄热材料，使之相变汽化，带走废气中的热量；
汽化的相变蓄热材料运动到热管式相变蓄热体的上端，在废气预热区与新进入的废气发生热交换，使经废气预热后的相变蓄热材料再次相变液化，流回至相变蓄热体下端，在废气放热区重新吸热，实现热量的回收。
6.如权利要求5所述的相变蓄热催化燃烧方法，其特征在于，所述的高温氧化催化剂（5）为MnO2催化剂或Co3O4催化剂。
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